嫦娥五号采样返回为什么采取“接力”方式？

到2021年12月，我国月球探测工程嫦娥五号采样返回任务已成功实施一周年。

嫦娥五号探测器由轨道器、着陆器、上升器和返回器组成，这个团队就像接力队一样，通过“接力”方式，把月球样品送回地球。

嫦娥五号探测器示意图

那么，为什么不派一个成员，独自完成“取宝”任务呢？

这是因为采样返回任务工况复杂，无法由一个成员单独完成。团队成员分工明确，各有各的任务：

轨道器

轨道器负责“飞得到”，即与运载火箭分离后，负责把着陆器、上升器和返回器送到月球轨道，完成采样任务后，再把返回器送回地球附近。

着陆器

着陆器负责“下得去”，即到达月球轨道并与轨道器-返回器组合体（简称“轨返组合体”）分离后，负责带着上升器，在月面软着陆，并与上升器一起，完成月面采样。

上升器

上升器负责“上得来”，即完成采样任务后，带着月球样品从月面起飞，与在月球轨道飞行的轨返组合体交会对接，并把月球样品转移至返回器内。

返回器

返回器负责“落得下”，即当轨返组合体回到地球附近后，与轨道器分离，再入大气层，把月球样品送回地球。

首先，轨道器的作用相当于太空摆渡车，起着在地月之间往返运输的作用。由于地月之间路途遥远，在飞行过程中需要多次变轨，到达月球附近时，还要进行制动减速，以便被月球捕获；在“拿”到月球样品后，再通过加速摆脱月球引力，飞回地球。这些工作需要轨道器的发动机和控制系统来完成。而返回器没有发动机，不依靠轨道器进行摆渡，无法完成地月往返任务。

其次，由于月球没有大气层，从月球轨道着陆月面，只能通过发动机反推，产生制动力，降低着陆器的速度，才能实现软着陆。返回器没有发动机，不能实现软着陆；轨道器虽然有发动机，但是由于轨返组合体质量很大，约4.5吨，着陆月面和从月面起飞，都需要消耗很多推进剂，而轨道器还承担着把返回器送回地球的任务。所以，到达月球轨道后，轨返组合体进行不消耗推进剂的环月飞行，而由着陆器和上升器（简称“着上组合体”）着陆月面，完成采样任务。

着上组合体着陆月面示意图

第三，完成采样任务后，需要从月面起飞。而着陆器的重量近3吨，从月面起飞需要消耗大量推进剂。为了减轻起飞重量、减少推进剂消耗，需要把已经完成任务的着陆器留在月面，充当上升器的起飞平台，而由重约0.8吨的上升器从月面起飞，并通过与留在月球轨道的轨返组合体交会对接，把月球样品转移至返回器内。

上升器飞离月面示意图

上升器与轨返组合体

在月球轨道上交会对接示意图

最后，要想把月球样品送回地球，必须再入大气层。由于返回器飞行速度非常高，与大气层摩擦会产生很多热量，如果不在外形设计和材料选取方面采取防热措施，返回器会在再入过程中烧毁。只有进行防热设计的返回器，才能安全再入大气层，同时由于其质量较小（约0.3吨），可以通过降落伞减速后，平稳着陆地面。而没有进行防热设计的轨道器、上升器均不具备再入大气层的条件。

返回器带着月球样品返回地面

嫦娥五号月球采样团队经过23天的运行，只有返回器带着月球样品返回了地面；完成任务的着陆器留在了月球表面；上升器移交完月球样品、与轨返组合体分离后，按照地面指令受控离轨，降落在月面预定落点；而轨道器在完成地月往返运输任务后，又被赋予了新的使命，先去探测了日地拉格朗日L1点，再从日地拉格朗日L1点返回了月球，截至月球采样一周年时，仍在月球轨道上运行。

来源/《太空探索》2022年第1期

文/张铁钧

编辑/杨斯爽

审核/杨洁

监制/徐春梅

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